室内声学声学的应用

时至今日，声学的应用范围越来越广，在军事、医学、建筑等方面有举足轻重的地位，尤其是建筑声学更是建筑设计师们一直在研究的重点科目。众所周知，大剧院是世界公认的工程技术难度最高的建筑，声学系统的建设更是核心难点，因此声音效果也成为了评判一家大剧院水准的重要衡量标准。可喜的是近年来国内许多涉足声学设计的企业、单位也逐渐走向成熟，在这些组织中深圳中孚泰文化集团可为国内行业排头兵。中孚泰是全球唯一一家专注于演艺建筑建设的企业，19年专注，中孚泰参与建设了全国60%的高端精品剧院建设，是唯一被有关部门授予“声学装饰科学研究院”的单位。在中孚泰倾心打造的众多大剧院中，以广州大剧院、甘肃大剧院为代表在声音效果上已经超越了悉尼歌剧院，跻身国际一流水准。

声音的强弱、音调的高低和音色的好坏是声音的基本特征。因此，在音质设计中应根据房间的具体使用要求，做到充分地利用直达声，合理地分布近次反射声，正确地控制混响声。

界面上吸声材料的频率响应曲线不可能是直线，在选择和布置吸声材料时要充分考虑这一情况，否则会造成频率失真。由于人耳只能分辨出时间间隔大于50毫秒的两个声音，因此在50毫秒内的近次反射声具有加强直达声的效果，这对于改善声场的扩散性，提高信噪比都有利。同时应尽量避免颤动回声和声聚焦的现象（见音质缺陷）。音色的丰满度亲切感直接与混响时间相关，混响时间过短，会感到干涩；而混响时间过长，又影响声音的层次。

在不同条件下，可分别用几何声学方法、统计声学方法和波动声学方法来研究室内声音的传播。

室内声学几何声学方法

几何声学方法是指在研究自由声场的扩散性时，忽略声的波动特性，采用声线来描述声音传播途径的方法。当室内声音传播到一个尺寸比声波长度大得多的界面时，可用几何声学方法研究声音的传播规律。

这种而用声线概念研究声传播途径是根据反射定律：声线的反射角等于入射角，且反射声线和入射声线与法线在同一平面上。

应用

可以利用声线的几何作图法来分析直达声和近次反射声的分布情况，避免直达声和第一次反射声之间有较大的延迟时间差，避免反射声的聚焦出现在听众席附近。通过靠近声源的反射面的布置，补充短延迟的反射声，以避免声源前面的声强随距离增加而出现过大幅度的下降等。

室内声学统计声学方法

统计声学方法是指从能量的观点出发，忽略声的波动特性，用统计学手段来描述声场平均状态的方法。

这种用能量概念研究声场状态是根据反平方规律：对一个波阵面为球形的点声源来说，声场强度与离声源中心距离的平方成反比。

一个连续发声的声源在室内开始发声时，稳定声场并不立刻建立，是随时间逐步增长而达到稳定状态。声源停止发声后，声场也不会立刻消失，而有一随时间逐渐衰减的过程（图1）。

用统计声学方法研究声能密度的平均增长过程和衰减过程可知，声源开始发声时，声能密度增长过程可用下式描述：式中D(t)为声能密度(焦/米3);W为声源功率(瓦)；c为声速（米/秒）；A为室内表面总吸声量（米2）；V为房间体积（米3）；t为声源发声后经历的时间（秒）。当时间t比大得多时,可简化为：此时声场达到稳定状态，声能密度达到极大值，它的大小仅与室内表面的总吸声量和声源功率有关。

声源停止发声后声能密度的衰减过程可以用下式描述：

此式表明，室内总吸声量越大，衰减就越快；房间体积越大，衰减越慢。声源停止发声后，声音还会在室内延续的现象称为混响，其衰减过程为混响过程。度量混响过程的量为混响时间T60（秒），定义为初始声压级下降60分贝所需的时间，其关系式为：

式中V为房间体积（米3）；S为总表面积（米2）；峞为平均吸声系数；m为空气的衰减系数。此外，混响理论的创始人W.C.赛宾也曾提出混响时间的计算公式：，被称为赛宾公式，仅适用于室内平均吸声系数小于0.2的场合。

室内声学波动声学方法

波动声学方法是指用波动理论研究室内驻波共振影响的方法。当室内界面的几何尺寸与声波波长可比时，声的波动特性就不能忽略，成为突出的研究重点。

根据波动声学原理，当一对平行墙面间的距离l等于声波半波长 λ/2的整数倍n时在这尺度方向上会产生驻波，即声波传播的压缩和稀疏“图案”在空间有着固定的位置，或者说室内空气振动出现共振。当人沿着驻波方向从一端走向另一端时，会感到声强有忽高忽低的变化，高低相差最多可达20分贝左右。这些能产生驻波的频率称为简正振动频率或称简正频率。其结果使声场极不均匀，而且会使声源中符合上述情况的若干频率成分得到过分增强，也比别的频率衰减得更慢些，因此就会造成严重失真。

对于一个长、宽和高分别为 lx、ly和lz的平行六面体房间，其简正频率fr（赫）可由下式计算：

式中nx、ny和nz为正整数或零，分别代表某种振动方式，

这些简正频率又可分为三类：①轴向简正频率；②切向简正频率;③斜向简正频率。从0到fr的频率范围内可能出现的简正振动数N：式中V=lxlylz为室内容积；S=2(lxly lylz lzlx)为室内总面积；L=4(lx ly lz)为室内总边长。

应用

在容积小的房间内，低频范围的共振频率较少，频率的分布不均匀。如果lx、ly、lz的比例选择适当，不使共振频率简并，则分布可有所改善；一般采用1∶21/3∶41/3的调和级数的比例。图2所示为某些频率范围，峰顶括号内的数字即公式中的nx、ny、nz，因振动方式简并而堆积在一起,造成室内的频率响应范围起伏很大。对于大房间和高频范围，由于简正频率较多，共振峰相互交叠，其效果可按统计声学方法来处理。

当声源向空间辐射声波时，该声波存在的区域称为声场。如果声波传播时不受阻碍和干扰，这样的声场称为自由声场。在室内，声源辐射的声波传播到界面上时，部分声能被吸收，部分被反射。通常要经过多次反射后，声能密度才减弱到可以被忽略的程度。当声源连续稳定地辐射声波时，空间各点的声能是来自各方向声波叠加的结果。其中未经反射、直接由声源传播到某点的声波称为直达声；一次和多次反射声波的叠加称为混响声。

室内声场由直达声和混响声合成，直达声的声能密度按反平方规律衰减，而混响声的声能密度可近似地认为各处相等。混响声能的大小，除与声源的辐射功率有关外，还与空间大小和各界面的平均吸声系数有关。

名称：室内声学设计原理及其应用

出版地:上海

出版者名称:同济大学出版社

出版日期:1995

分类号:TU112.4

主题

学科名称主题:室内设计 声学设计 研究 声学设计 室内设计 研究 2100433B

书共五章，第一章为声学及噪声振动控制概述，主要介绍声学基本理论，声的测量、噪声评价及标准，室内声学设计基本原理，噪声与振动控制基本原理及方法等；第二章为厅内声学设计案例，内容包括体型和容积的选择，混响时间及其频率特性的选择和确定，吸声材料的组合布置和设计适当的反射面，以合理地组织近次反射声等；第三章为噪声与振动控制设计实例，重点介绍吸声、隔声、消声等技术的应用；第四章为典型设备噪声控制案例，重点介绍风机、空压机、冷却塔、发电机、水泵、球磨机等设备噪声的控制；第五章为声环境规划典型案例。本书所有案例皆有编者的综合评析。

本书可作为环境管理、环境工程设计、环境监测等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员的参考用书，也可作为高职院校环境类专业教学辅助用书及学生课程设计参考用书。

第一章声学及噪声振动控制概述

第一节声学基本理论

一、声波的基本特性

二、描述声波的物理量及计算

三、声波的传播

第二节声的测量、噪声评价及标准

一、测量仪器

二、声强及声功率测量

三、噪声的评价

四、噪声的法规和标准

第三节室内声学设计基本原理

一、室内声场简介

二、室内声场的相关计算

第四节噪声控制基本原理与方法

一、吸声降噪

二、隔声技术

三、消声技术

第五节振动控制基本原理与方法

一、振动概述

二、振动控制技术和方法第二章厅内声学设计

第一节民用住宅室内声学设计典型案例

一、一个正圆形私人影院的室内声学设计

二、保利垄上家庭影院室内声学设计

第二节歌剧院声学设计典型案例

一、保利剧院声学设计

二、国家大剧院建筑声学的创新应用

第三节会议厅声学设计典型案例

一、工程概况及设计目标

二、声学设计

三、案例评析

第四节体育馆声学设计典型案例

一、“水立方”比赛大厅室内声学设计

二、辽宁营口奥体中心综合性体育馆建声设计

第五节录音室、演播室声学设计典型案例

一、语音录音室的声学设计

二、中型演播室的声学设计第三章噪声与振动控制设计实例

第一节吸声技术应用实例

一、案例1：某厂喷锌机降噪治理

二、案例2：某厂冷却塔噪声污染控制工程

第二节隔声技术应用实例

一、案例1：某变电所噪声治理工程设计

二、案例2：某污水厂罗茨鼓风机隔声罩设计

三、案例3：某酒店厨房排风机噪声治理工程

第三节消声技术应用实例

一、案例1：某厂发电机房噪声治理工程设计

二、案例2：某城市地铁×号线环控通风系统消声降噪工程设计

第四节减振技术应用实例

一、案例1：某城市轨道交通减振降噪工程设计

二、案例2：某厂压缩机管道减振降噪工程

第五节噪声与振动控制技术综合应用实例：某水泥厂噪声污染

控制工程设计第四章典型设备噪声控制案例

第一节风机噪声及其控制案例

一、风机噪声源分析

二、风机噪声控制方法

三、风机噪声控制典型案例

第二节空压机噪声及其控制案例

一、空压机噪声源分析

二、空压机噪声控制方法

三、空压机噪声控制典型案例

第三节冷却塔噪声及其控制案例

一、冷却塔噪声源分析

二、冷却塔噪声处理方法

三、冷却塔噪声控制典型案例

第四节发电机噪声及其控制案例

一、发电机噪声源分析

二、发电机噪声控制方法

三、发电机噪声控制典型案例

第五节水泵噪声及其控制案例

一、水泵站噪声源分析

二、水泵站噪声控制方法

三、水泵噪声控制典型案例

第六节球磨机噪声及其控制案例

一、球磨机噪声源分析

二、球磨机噪声控制方法

三、球磨机噪声控制典型案例第五章声环境规划典型案例

第一节典型案例：甲市乙区东片交通噪声预测与控制规划

一、规划区基本情况

二、交通噪声质量现状评价

三、交通噪声污染预测

四、交通噪声控制措施与规划

第二节案例评析

参考文献2100433B

《声学 建筑声学和室内声学中新测量方法的应用 MLS和SS方法(GB/T 25079-2010)》由中国标准出版社出版。